前     言

　　近年来，非高炉炼铁枝术有了很大进展，这主要是因为:

　　(1)资源限制。国际范围内焦煤资源日益匮缺，以非焦煤为主要能源，改善钢铁工业能源结构的呼声日益高涨;与此同时，许多含铁原料难以满足大型高炉冶炼的要求，如多金属共生矿(钒钦磁铁矿、红土矿、硼铁矿等)、菱铁矿、褐铁矿、特种赤铁矿，日益恶化的资源条件推动非高炉炼铁技术向前发展。

　　(2)环境要求。非高炉炼铁流程不用或少用造成大量污染的炼焦和造块工艺，同时大幅度减少传统高炉CO2 ,硫化物、氮氧化物、污水的排放;与此同时，短流程(一般指废钢一电炉流程)是今后清洁化钢铁生产的重要方向，大多数工业化国家电炉钢产量已超过50%，但废钢质量恶化是制约电炉钢，尤其是纯净钢、优质钢发展的重要因素，直接还原铁(DRI/HBI)是其优质替代品,也是废钢残留有害元素的稀释剂。因此，非高炉炼铁技术的发展是实现环境友好、提升钢铁产品质量的需要。
 
 

　　目录

　　1 绪论……………………………………………………………………………………1

　　1.1 非高炉炼铁方法的意义…………………………………………………………… 1

　　1.1.1 直接还原法………………………………………………………………………2

　　1.1.2 熔融还原法………………………………………………………………………2

　　1.2 非高炉炼铁方法的发展及现状………………………………………………………4

　　1.2.1 直接还原技术概况………………………………………………………………4

　　1.2.2 熔融还原技术的产生与发展…………………………………………………… 10

　　1.3 我国非高炉炼铁技术概况……………………………………………………………10

　　1.3.1 我国直接还原技术发展概况…………………………………………………… 10

　　1.3.2 我国熔融还原技术发展概况……………………………………………………12

　　参考文献………………………………………………………………………………… 12

　　2 非高炉炼铁基础………………………………………………………………………14

　　2.1 非高炉炼铁方法的技术经济指标……………………………………………………14

　　2.2 非高炉炼铁方法使用的原燃料………………………………………………………16

　　2.2.1 含铁原料………………………………………………………………………… 16

　　2.2.2 燃料与还原剂…………………………………………………………………… 18

　　2.3 含碳球团及其还原机理………………………………………………………………20

　　2.3.1 固-固还原机理……………………………………………………………………20

　　2.3.2 二步还原机理…………………………………………………………………… 21

　　2.4 产品性质及其应用……………………………………………………………………25

　　2.4.1 非高炉炼铁方法产品种类和性质……………………………………………… 25

　　2.4.2 直接还原铁的处理及储运……………………………………………………… 27

　　2.4.3 直接还原铁的应用……………………………………………………………… 29

　　参考文献……………………………………………………………………………………33

　　3 气体还原的直接还原方法…………………………………………………………… 35

　　3.1 铁氧化物气体还原机理……………………………………………………………… 35

　　3.1.1 热力学分析…………………………………………………………………………35

　　3.1.2 动力学分析…………………………………………………………………………37

　　3.2 冶金还原煤气……………………………………………………………………………40

　　3.2.1 还原煤气消耗量……………………………………………………………………40

　　3.2.2 煤气脱硫及海绵铁渗碳……………………………………………………………41

　　3.2.3 冶金还原煤气的制造………………………………………………………………43

　　3.3 竖炉法基本原理…………………………………………………………………………47

　　3.3.1 竖炉法概述………………………………………………………………………… 47

　　3.3.2 竖炉内还原基础……………………………………………………………………48

　　3.4 竖炉法直接还原典型工艺………………………………………………………………54

　　3.4.1 Midrex 工艺…………………………………………………………………………54

　　3.4.2 HYL-Ⅲ工艺………………………………………………………………………… 58

　　3.4.3 Energiron 工艺………………………………………………………………………59

　　3.4.4 其他工艺…………………………………………………………………………… 62

　　3.5 其他气体直接还原方法…………………………………………………………………70

　　3.5.1 固定床方法………………………………………………………………………70

　　3.5.2 流态化方法………………………………………………………………………73

　　参考文献………………………………………………………………………………… 77

　　4 应用固体还原剂的直接还原方法……………………………………………………79

　　4.1 固体碳还原铁矿的放应………………………………………………………………79

　　4.1.1 热力学分析……………………………………………………………………… 79

　　4.1.2 动力学分析……………………………………………………………………… 80

　　4.2 回转窑法……………………………………………………………………………… 83

　　4.2.1 回转窑法工艺原理……………………………………………………………… 83

　　4.2.2 回转窑法典型工艺介绍………………………………………………………… 90

　　4.3 转底炉法……………………………………………………………………………… 92

　　4.3.1 概述……………………………………………………………………………… 92

　　4.3.2 转底炉法工艺原理…………………………………………………………………93

　　4.3.3 转底炉法典型工艺介绍……………………………………………………………96

　　4.4 ITmk3与CHARP 法………………………………………………………………………102

　　4.4.1 ITmk3与工艺……………………………………………………………………102

　　4.4.2 煤基热风转底炉熔融炼铁法……………………………………………………104

　　4.5 其他应用固体还原剂的直接还原方法……………………………………………… 104

　　4.5.1 Kinglor-Metor法…………………………………………………………………… 104

　　4.5.2 EDR法……………………………………………………………………………… 106

　　4.5.3 固定反应罐法…………………………………………………………………………107

　　4.5.4 川崎KIP法……………………………………………………………………………107

　　参考文献………………………………………………………………………………………108

　　5 熔融还原基础………………………………………………………………………………110

　　5.1 预还原基础研究……………………………………………………………………………110

　　5.1.1 预还原反应热力学………………………………………………………………… 110

　　5.1.2 预还原过程能耗分析………………………………………………………………… 111

　　5.1.3 预还原过程能耗图解………………………………………………………………… 113

　　5.1.4 预还原反应动力学…………………………………………………………………… 117

　　5.2 终还原基础研究……………………………………………………………………… 121

　　5.2.1 终还原反应热力学……………………………………………………………… 121

　　5.2.2 终还原过程能耗分析……………………………………………………………… 122

　　5.2.3 终还原过程能耗图解……………………………………………………………… 125

　　5.2.4 终还原反应动力学……………………………………………………………………132

　　5.3 煤气改质技术研究…………………………………………………………………………139

　　5.3.1 煤气改质技术的物料平衡及热平衡………………………………………………… 139

　　5.3.2 煤气改质的作用……………………………………………………………………… 140

　　5.4 熔融还原全过程操作线图分析… ………………………………………………… 142

　　5.4.1 预还原度平衡点…………………………………………………………………… 142

　　5.4.2 煤气改质对熔融还原过程的影响………………………………………………… 143

　　5.5 泡沫渣的形成与抑制…………………………………………………………………… 144

　　5.5.1 泡沫渣的形成机理及影响因素…………………………………………………… 144

　　5.5.2 泡沫渣指数…………………………………………………………………………145

　　参考文献………………………………………………………………………………………146

　　6 含碳球团研究…………………………………………………………………………… 148

　　6.1 含碳球团还原的特点…………………………………………………………………… 149

　　6.1.1 含碳球团的还原过程……………………………………………………………… 149

　　6.1.2 含碳球团还原过程特点及其在熔融还原中的应用……………………………… 155

　　6.1.3 含碳球团的直接还原度(Rd)………………………………………………………156

　　6.1.4 含碳球团直接还原度的变化…………………………………………………………157

　　6.2 含碳球团还原过程数值模拟………………………………………………………………159

　　6.2.1 界面反应模型………………………………………………………………………… 160

　　6.2.2 综合模型……………………………………………………………………………… 162

　　6.3 含碳球团冷固结技术………………………………………………………………………166

　　6.3.1 波兰特水固结法……………………………………………………………………… 167

　　6.3.2 高压蒸养法………………………………………………………………………… 168

　　6.3.3 水玻璃固结法…………………………………………………………………………169

　　6.3.4 其他冷固结法…………………………………………………………………………170

　　6.4 含碳球团预还原过程物料平衡计算和热平衡计算………………………………………170

　　6.4.1 含碳球团中碳的直接还原度与煤气条件的关系…………………………………… 170

　　6.4.2 含碳球团竖炉还原过程分析………………………………………………………… 171

　　参考文献…………………………………………………………………………………………179

　　7 典型熔融还原流程…………………………………………………………………………182

　　7.1 Corex工艺…………………………………………………………………………………182

　　7.1.1 概述……………………………………………………………………………………182

　　7.1.2 工艺流程………………………………………………………………………………183

　　7.1.3 原燃料要求……………………………………………………………………………185

　　7.1.4 Corex流程的工艺特点……………………………………………………………… 186

　　7.1.5 宝钢罗泾Corex C-3000装置…………………………………………………………186

　　7.1.6 宝钢罗泾Corex C-3000装置的技术进步……………………………………………194

　　7.1.7 Corex流程的展望…………………………………………………………………… 195

　　7.2 Finex 工艺…………………………………………………………………………………196

　　7.2.1 工艺流程………………………………………………………………………………197

　　7.2.2 Finex工艺流程的技术及经济指标……………………………………………………199

　　7.2.3 Finex工艺应用前景……………………………………………………………………203

　　7.3 HIsmelt 工艺……………………………………………………………………………… 204

　　7.3.1 工艺流程……………………………………………………………………………… 205

　　7.3.2 SSPP及HRDF 试验结果……………………………………………………………… 208

　　7.3.3 HIsmelt流程的技术及经济评价………………………………………………………213

　　7.3.4 HIsmelt流程应用前景…………………………………………………………………215

　　7.4 CCF 工艺……………………………………………………………………………………216

　　7.4.1 工艺流程……………………………………………………………………………… 216

　　7.4.2 旋风熔融预还原炉(旋风炉)………………………………………………………217

　　7.4.3 旋风熔融炉的试验结果…………………………………………………………… 218

　　7.4.4 CCF过程的物料平衡和热平衡…………………………………………………… 218

　　7.4.5 CCF工程技术及经济评价………………………………………………………… 229

　　7.5 HIsarna工艺………………………………………………………………………………220

　　5.5.1工艺流程……………………………………………………………………………220

　　7.5.2 HIsarna流程的技术特点………………………………………………………… 222

　　7.5.3 HIsarna流程半工业试验…………………………………………………………224

　　7.5.4 HIsarna流程的主要特点……………………………………………………………224

　　7.6 DIOS工艺………………………………………………………………………………… 225

　　7.6.1 DIOS主要研究结果…………………………………………………………………… 226

　　7.6.2 DIOS半工业试验………………………………………………………………………231

　　7.6.3 DIOS流程的技术及经济特征…………………………………………………………235

　　7.7 AISI工艺………………………………………………………………………………… 236

　　7.7.1 工艺流程……………………………………………………………………………… 237

　　7.7.2 AISI流程的主要影响因素…………………………………………………………… 238

　　7.7.3 AISI流程技术及经济指标………………………………………………………………238

　　7.8 Romelt(PJV)工艺…………………………………………………………………………240

　　7.8.1 工艺流程…………………………………………………………………………………240

　　7.8.2 Romelt流程的技术特点………………………………………………………………241

　　7.8.3 Romelt流程半工业试验………………………………………………………………243

　　7.8.4 Romelt流程的技术经济指标…………………………………………………………243

　　7.8.5 Romelt流程的主要特点………………………………………………………………246

　　7.9 Oxycup工艺………………………………………………………………………………247

　　7.9.1 工艺流程…………………………………………………………………………………247

　　7.9.2 德国蒂森-克虏伯钢铁公司Oxycup工艺的技术经济指标……………………………249

　　7.9.3 Oxycup工艺特点…………………………………………………………………… 251

　　7.10 Tecnored工艺…………………………………………………………………………252

　　7.10.1 Tecnored工艺流程……………………………………………………………………252

　　7.10.2 Tecnored工艺特点……………………………………………………………………252

　　7.10.3 Tecnored工业试验……………………………………………………………………253

　　7.11 其他熔融还原工艺………………………………………………………………………253

　　7.11.1 Redsmelt法……………………………………………………………………………253

　　7.11.2 川崎法……………………………………………………………………………… 255

　　7.11.3 XR法……………………………………………………………………………………258

　　7.11.4 Combismelt 法…………………………………………………………………………259

　　7.11.5 CIG法…………………………………………………………………………………260

　　7.11.6 CGS法…………………………………………………………………………………269

　　7.11.7 COIN 法……………………………………………………………………………… 277

　　7.11.8 Elred法…………………………………………………………………………………283

　　7.11.9 SC法……………………………………………………………………………………288

　　7.11.10 COSRI法………………………………………………………………………………295

　　7.11.11 Plasmasmelt 法………………………………………………………………………296

　　7.11.12 LB法…………………………………………………………………………………296

　　参考文献……………………………………………………………………………………… 297

　　8 利用生物质的炼铁方法……………………………………………………………………301

　　8.1 关于生物质的基础理论……………………………………………………………………301

　　8.1.1 生物质的极念及资源状况…………………………………………………………… 301

　　8.1.2 生物质的基础特性及利用…………………………………………………………… 301

　　8.1.3 生物质能的碳中性…………………………………………………………………… 303

　　8.2 生物质应用于炼铁工艺概况………… ………………………………………………… 304

　　8.2.1 生物质应用于高炉喷吹……………………………………………………………… 304

　　8.2.2 高炉使用含生物质焦的铁矿压块…………………………………………………… 308

　　8.2.3 生物质作为辅助原料在炼铁及相关工艺中的应用………………………………… 310

　　8.2.4 生物质能辅助炼铁系统……………………………………………………………… 311

　　8.2.5 生物质能辅助炼铁及CO2减排潜力………………………………………………… 313

　　8.3 生物质焦的基础研究…………………………………………………………………… 317

　　8.3.1 生物质焦………………………………………………………………………………317

　　8.3.2 生物质焦的气化反应性及其影响因素………………………………………………317

　　8.4 生物质焦和铁矿粉复合压块的基础研究…………………………………………………322

　　8.4.1 配加生物质焦粉的铁矿粉混合物的还原规律………………………………………322

　　8.4.2 生物质焦粉的铁矿压块的自还原规律………………………………………………322

　　8.4.3 含生物质焦粉的铁矿粉压块的自还原动力学………………………………………328

　　8.5 应用生物质能的非高炉炼铁流程…………………………………………………………339

　　8.5.1 生物质焦应用于直接还原…………………………………………………………… 349

　　8.5.2 生物质制氢—直接还原铁技术……………………………………………………… 349

　　参考文献……………………………………………………………………………………… 351

　　9 炼铁工业相关的单元技术…………………………………………………………… 351

　　9.1 变压吸附制氧技术(PSA技术)…………………………………………………………354

　　9.1.1 历史沿革………………………………………………………………………………354

　　9.1.2 工艺流程………………………………………………………………………………354

　　9.1.3 技术特点………………………………………………………………………………355

　　9.1.4 半工业或工业试验结果………………………………………………………………355

　　9.1.5 小型医用变压吸附制氧技术…………………………………………………………356

　　9.1.6 评价及展望……………………………………………………………………………356

　　9.2 CO2分离捕集与封存技术(CCS技术)………………………………………………… 357

　　9.2.1 CO2分离捕集和封存技术发展……………………………………………………… 357

　　9.2.2 CO2分离捕集和封存技术工艺流程……………………………………………… 358

　　9.2.3 CO2分离捕集技术特点………………………………………………………………358

　　9.2.4 CO2的运输及经济技术评价………………………………………………………… 358

　　9.2.5 CO2地质封存的技术特点…………………………………………………………… 361

　　9.2.6 评价与展望……………………………………………………………………………361

　　9.3 流态化技术…………………………………………………………………………………361

　　9.4 焦炉煤气(COG)利用技术…………………………………………………………… 362

　　9.4.1 焦炉煤气生产甲醇工艺……………………………………………………………… 362

　　9.4.2 焦炉煤气低温分离生产液化天然气(LNG)联产氢气技术…………………………364

　　9.4.3 焦炉煤气用于直接还原炼铁工艺………………………………………………… 364

　　9.4.4 甲烷炉内改质直接还原工艺…………………………………………………………365

　　9.5 粉体造粒技术………………………………………………………………………………366

　　9.5.1 粉体造粒技术简介……………………………………………………………………366

　　9.5.2 基本造粒方法…………………………………………………………………………368

　　9.5.3 粉体粒子间的结合力………………………………………………………………… 368

　　9.6 环境保护及烟气脱硫脱硝技术……………………………………………………………369

　　9.6.1 环境保护技术………………………………………………………………………… 370

　　9.6.2 烟气脱硫技术………………………………………………………………………… 371

　　参考文献……………………………………………………………………………………… 375

　　10 我国发展非高炉炼铁的展望…………………………………………………………… 376

　　索引………………………………………………………………………………………………378